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第6章 信息科学技术(1)

信息科学

是关于认识信息和利用信息的科学。信息是关于事物的运动状态(直接信息)和对事物运动状态的描述(间接信息)。无论直接信息还是间接信息,都是向观察者提供关于事物运动状态的知识。信息是信息科学的主要研究对象。信息科学是一门新兴的、边缘的、横断的综合性科学。它以信息运动规律和应用方法为主要研究内容,以计算机技术为主要研究工具,以扩展人类的信息功能(特别是智力功能)为主要研究目标。其具体范畴包括:1.探讨信息的本质;2.研究信息的度量;3.阐明信息的运动过程;4.揭示利用信息进行控制的原理和方法;5.寻找利用信息实现最优控制的途径。信息科学的基本概念,是信息化、智能化和综合化。

信息科学与材料科学、能源科学三者鼎足而立,成为当代科学技术的重要支柱。信息科学的理论基础是信息论、控制论和系统论,以及由它们派生出来的人工智能。信息论主要涉及信息的认识问题,控制论和系统论主要涉及信息的利用问题,而信息科学则把这些问题结合在一起,形成了一个以信息的认识为基础、以信息的利用为目的的完整科学体系。

信息科学和以往一切传统科学不同,它把信息搬上科学的舞台,极大地丰富了科学的宝库。

由于信息科学的崛起,以物质和能量二者为中心的传统自然科学观念,让位于以信息、能量和物质三者为中心的现代观念;力量的科学,让位于智慧和力量相结合的科学;以解放人类体力劳动为目标的传统科学,转变为以解放体力和智力劳动为目标的现代科学。信息科学大大改变了整个科学的结构、内容和方向,改变了社会发展的图景和人们的思维方式。有效地拓展信息的功能,就可以更快地把人类从自然力的束缚下解放出来。

信息技术

是指一切用信息科学的原理和方法,研究信息传输和信息处理的技术。包括如何获取、存储、变换、处理、传递和控制各种信息,设计和制造各种智能信息处理机器和设备,实现操作的自动化。在各种各样的现代信息技术中,最主要和最典型的是传感技术、通信技术和电子计算机技术。传感技术解决的是信息的检测、变换、显示问题;通信技术解决的是信息的提取、传递、处理问题;电子计算机解决的是信息的存储、分析和控制问题。它们大体上相当于人的感觉器官、神经系统和思维器官。信息技术是直接扩展人类智能的技术,是新技术革命的主导技术,代表了新技术革命的主流和方向。它可以在一定程度上把人脑从繁琐的劳动中解放出来。

信息技术与机电技术、电子技术、微电子技术、生物-电子技术、声-电子技术、光-电子技术、激光技术、卫星-空间技术以及各种传感器、换能器和显示技术有着密切的关系。这些新技术,都是信息技术的支持性技术。没有这些技术,信息技术就发展不起来。而新材料技术和新能源技术,又是信息技术及其支持性技术的基础,没有这些技术的发展,信息技术要想前进也是不可能的。由此可见,信息技术的发展必将推动整个科学技术和国民经济的发展,以至使社会生活各个方面的面貌大大改观。

电子计算机

是一种能把信息自动、高速地储存和加工的电子设备。电子计算机可分为数字式、模拟式和混合式三大类。通常所说的电子计算机,一般是指数字式电子计算机。电子计算机具有数值和逻辑运算的功能。它能通过对输入数据进行指定的数值运算和逻辑运算解决各种问题,也能通过对信息加工解决各种数据处理问题。与一定的机电设备结合时,还能实现对生产过程的实时控制。

电子计算机由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备这五大部分组成。运算器是进行运算的装置,它除了能进行加、减、乘、除运算外,还能用逻辑运算进行判断。控制器是整个机器的指挥系统,它按人的意图,向各个部分发出控制信息,指挥整台机器启动地、协调地进行工作。运算器和控制器是计算机的核心,合称为中央处理机。存储器是存放数据和程序(程序是指解题所需要的一系列指令)的装置,它的功能类似人的“记忆”。运算器、控制器和存储器合称为电子计算机的主机。输入设备是向计算机输入数据、程序及各种字符信息的设备。输出设备是把机器工作的中间结果或最后结果表示(打印或显示)出来的设备。输入设备、输出设备和外存储器合称为外部设备。电子计算机与其他工具比较,具有计算速度快、计算精确、自动化程度高、通用性强等特点。

电子计算机是20世纪的重大发明之一,是科学技术上的一项卓越成就。世界上第一台电子计算机1945年诞生于美国宾夕法尼亚大学,并于1946年投入使用。此后,它的发展经历了电子管、晶体管、集成电路、大规模集成电路四代,功能和效率不断提高。目前正在研究第五代即高智能化电子计算机,预计到1990年可进入实用阶段。电子计算机广泛应用于社会的各个领域,推动了军事技术、科学技术和经济的发展,成为现代社会不可缺少的强有力的科学工具。

巨型机、大型机、中型机、小型机和微型机

按运算速度和主存容量来对电子计算机进行的分类,并不是指外观和体积的大小。巨型机是一种运算速度最快、存储容量最大的计算机。一般是指运算速度达每秒1亿次以上,字长64位,主存储器容量达4~16兆字节(1兆=1000K,1K=1024字节,1字节=8位二进制位)的电子计算机。巨型机主要用于解决诸如全球性气象预报、核物理学、大气动力学、计算化学等巨型题目的计算和研究。巨型机是一个国家技术水平的发展标志。我国于1983年研制成功“银河”巨型计算机。

大型机按目前标准,一般把运算速度为每秒100万次至1000万次、字长为32~64位,主存储器容量为9.5~8兆字节的计算机称为大型计算机。例如我国生产的TQ-6电子计算机,其字长为48位,最大存储容量为768K字节,运算速度每秒100万次,就是一台大型计算机。计算机中心、计算机网络或多机系统中的主机,一般使用这种计算机。

中型机当前是指运算速度为每秒10万~100万次、字长为32位,主存储器容量在1兆字节以下的通用计算机。我国生产的DJS-220型电子计算机,字长32位,存储量为64~128K,运算速度为每秒10万~15万次,就是一种中型计算机。

小型机一般主存储容量为32~64K。例如,我国70年代生产的TQ-16型计算机,字长16位,内存容量以4K为单位,可扩充到32K,运算速度每秒50万次,就是一台小型计算机。小型计算机具有速度较快、结构简单、操作方便、价格低廉等特点,可用于科学计算、数据处理和生产过程的自动控制。

微型机又称微电脑,是一种由微处理器、存储器、输入输出接口及系统总线等大规模集成电路构成的超小型计算机。按应用范围,分为过程控制型和数据处理型两种;按结构特点与性能,可分为4位、8位、12位、16位和32位等多种类型。它体积小、功耗低、价格便宜、功能较强、使用方便。可以通过输入输出接口电路连接输入输出等外部设备。目前已在办公自动化、事务处理、过程控制、小型数值计算以及智能终端、工作台等各个领域得到广泛应用。

人工智能

是研究用电子装置模拟人脑的意识功能,使其具有类似人的智能活动的综合性科学。它是20世纪50年代在控制论、计算机科学、仿生学、心理学等学科基础上发展起来的一门边缘学科,近年来有了较大发展。人工智能的主要内容包括:感觉和思维模型的建立;用机器进行图像和物体的识别;用计算机求解问题、证明定理;研究学习、探索、联想、启发等活动的过程和机制,理解人的语言等。人工智能是电子计算机应用的一个新领域。智能计算机能识别图像,听懂自然语言,具有一定的自学能力,能接受启发,可以思考问题和解决问题。例如,具有下棋程序的智能计算机,可以和人面对面地下棋。在输了一次以后,能自己积累经验,再下的时候就可以不犯上次的错误。人工智能是人类智能的延长,具有广泛的用途。

人工智能在信息传输和控制过程上虽然跟人类智能相似。但两者有本质的区别:前者纯系无意识的、机械的、物理的、电子的过程,后者则主要是生理和心理的过程;前者没有社会性,只有自然本质,后者除有自然本质外,还有社会本质。人工智能是人的思维的物化表现,但绝不可能完全取代人类智能,更不可能反过来支配和统治人类。

机器人

是由电子计算机控制的、通过编排程序使之具有可以变更动作的多功能自动机械。它以微电子技术为基础,集材料技术、软件研制和精密机械等于一身,是多种科学技术的综合应用。

机器人身上装有编码器,用电子计算机进行控制,能够把各种信息,如时间、速度、距离和方位等储存起来,一旦人们对它发出指令,就会自动地进行各种工作。机器人按其作用可分为工业机器人和民用机器人。工业机器人大量应用于汽车、钢铁、化工、纺织、机械制造、矿井采掘、核能发电、林业开发、深海探险等部门,主要从事焊接、喷漆、锻造、冶炼、装配、注塑、运输、热处理、机械加工等作业。在工业中使用机器人,可以降低成本,提高劳动生产率,保证产品质量,从而加快生产的发展。民用机器人是专门供娱乐和服务用的机器人,用于家庭服务、旅游导游、协助办公、管理交通、招待顾客等各个方面。

机器人是电子计算机向智能模拟方向发展的产物。目前,第一代工业机器人已得到广泛应用,第二代具有某些感觉装置的机器人正在投入生产,第三代智能机器人正处于研制过程中。

智能机器人的“大脑”是一部电子计算机,存储器中存放着程序和资料,使得自己能够在实践过程中不断增长才干和积累经验。它的“眼睛”是电视摄影机,通过图像识别装置把扫描的电信号进行分类,辨认出所识别的目标。它的“耳朵”,实际上是一个话筒或录音机,用来采集声音的信号。它的“嘴巴”,是一部扬声器,可以用来发音或说话。所以,智能机器人能看得见,听得着,会“思考”,能说话。机器人技术的更高发展阶段,是具有自学习、自组织、自修复、自繁殖功能的高级智能机器人的制造与应用。

集成电路

是将许多晶体管、电阻、电容等元件制作在一块半导体或绝缘体基片上所形成的一定结构的不可分割的电路。集成电路的制作是利用照相制板技术和光刻技术,在具有保护层的基片上刻出电路及各种元件的形状(称为光刻窗口),再利用杂质向所刻出的窗口进行扩散,使基片上形成具有各种性质的元件。集成电路按制造工艺可分为半导体集成电路、薄膜集成电路、厚膜集成电路和混合集成电路等,按性能、用途可分为数字集成电路、线性集成电路和微波集成电路等,按集成度可分为小规模(门电路10个或元件100个)、中规模(门电路10~100个、元件100~1000个)、大规模(门电路100个、元件1000个)和超大规模(门电路1万个、元件10万个)集成电路等。集成电路的采用打破了传统的电路设计概念,大大缩小了电子线路的体积,简化了装配工艺,提高了可靠性,降低了制作成本。它是电子技术领域中具有革命性意义的技术进步。

硬件和软件

硬件是计算机实际装置的总称。通常人们把计算机及组成计算机的一切机械的、磁性的、电子的等设备,如运算器、控制器、存储器以及输入输出设备等,称为硬件。它具有下列功能:1.向计算机系统输入程序、数据的功能;2.储存指令和数据的功能;3.执行指令加工数据的功能;4.将加工的结果转换成人或其他机器可以应用的形式的功能。

软件是计算机系统中各种程序的总称。相对于硬件而言,它是计算机系统中用户共同使用的一组程序及其有关资料,是计算机日常工作不可缺少的部分。计算机的硬件建立了计算机应用的物质基础,但是光有硬件计算机还是不能工作的。软件正是利用计算机(硬件)本身的逻辑功能,合理地组织整个解题流程,简化或代替在各个环节上人所承担的工作,从而达到充分发挥计算机效率、扩大计算机功能、便于用户掌握计算机的目的。主要包括汇编程序、解释程序、编译程序、监控程序、调试程序、故障检查和诊断程序、编辑程序、程序库、操作系统及应用程序等。有了软件,也方便了对计算机的管理、维护和开发工作。通常认为软件一定是可以写出或可以记录的。

计算机网络

是把多台分布在不同点的计算机用数据通讯线路连接起来而组成的能够互相交换信息的系统。它是计算机应用普及化、多样化以及计算机数据通信、信息检索、系统技术等学科飞速发展的结果。目前它已广泛应用于社会生活的各个方面。

计算机网络由一系列互相连接的网点组成,每个网点包含一台或多台计算机。这些计算机能够互相通信,从而使用户得到不少好处。主要有:1.网络的可靠性要比一台计算机的可靠性高得多。2.如果网络的某个网点要担负完成的计算作业太多,则可以抽调出一部分作业给别的网点,以减轻它的负荷。由于计算机网络能使一个计算中心的用户使用另一计算中心的空闲的计算机设备,因而能获得更大的经济效益。3.计算机网络使用户不受地理条件的限制,方便地使用远地的计算机,共享所有硬件、软件和数据等资源,可以节省开支。

计算机应用

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